RFチェーン5Gの目標と「グリーン」ネットワークの目標をどのように達成するか？

RF窒化ガリウム（GaN）の世界へようこそ。この高効率、広帯域ギャップ、高信頼性を誇るパワーPA技術は、ネットワーク効率を年々大幅に向上させています。下図に示すように、基地局（BTS）エコシステムにGaNを導入することで、フロントエンドの効率が劇的に向上し、高出力アプリケーションと低出力アプリケーションの両方において、新たな有力技術として注目されています。

2GaNは、高電力密度、高電力付加効率（PAE）、高利得、インピーダンス整合の容易さなど、優れた特性を備えているため、RFチェーン全体の効率が向上します。F1カーの設計者と同様に、無線エンジニアはRFシステムを微調整することで、時間の経過とともに性能を最適化できます。最初から根本的に優れた半導体技術を採用することで、性能目標を達成すると同時に、エネルギー効率を劇的に向上させることができます。

5GとGaN

4G LTEネットワークの普及は成熟期を迎えているものの、5Gとの差を埋めるには複数のアップグレードが必要となる。現在、5Gの定義と概念実証の段階にあるが、Verizonのような企業は、固定無線アクセスに重点を置いた早期展開を可能にするため、開発スケジュールを加速させている。

5Gの初期試験は2013年に開始され、初期および最近の試験から得られたデータは現在定期的に公開されている。

ミリ波帯で有望な成果をもたらす主要技術、大規模MIMOアンテナアレイ、ビームフォーミングは、既に商用化に向けた開発段階に入っている。基地局メーカーはすべて製品の試用段階に入っている。

クアルコムやインテルなどの企業は、28GHz帯で動作するX50モデムなど、5G対応モデムのテストを行っている。

QorvoとNanoSemiは、大規模MIMOアプリケーションに適したGaNデバイスの超広帯域線形化に関する実証データを公開しました。これらの先進的な企業は、コスト、性能、複雑さの最適なバランスを見つけるために、主要な5Gシステムアーキテクチャ、周波数帯域、および実現技術を研究しています。

多様な5G要件を満たすため、GaNメーカーは幅広い周波数と電力レベルに対応する複数のバリエーションを提供する必要があります。複数のGaNプロセスオプションが用意されているため、設計者はGaN技術をアプリケーションに最適に適合させることができます。下の図は、この分野におけるQorvoの能力を示しています。

Qorvo社のダグ・リープ氏が別の記事で述べたように、GaNは、より高い周波数、緊密な統合、そして最低限の実装コストが求められるスモールセルなどの5Gネットワ​​ークアプリケーションにおいて、従来の半導体材料に取って代わるだろう。

彼はさらに、低電圧GaNが提供する性能は必然的にモバイル機器に採用されるだろうと示唆した。GaNは高温環境下でも動作できるため、パッシブ冷却、屋外型基地局の電子機器、自動車用途に最適である。つまり、GaN技術の選択肢が広がることで、より多くの用途ニーズが満たされることになるだろう。

現在、GaNは小型セルおよび基地局（BTS）市場で広く使用されており、2016年も引き続き成長が見込まれる。GaNの出荷額は、2015年の1億5000万ドルから2016年には3億ドル近くに達すると予想されている。

小型セル、分散アンテナシステム（DAS）、および長距離無線ヘッドエンドネットワークの高密度展開は、この傾向において重要な役割を果たしている。

未利用の周波数帯域、高スループット、低遅延といった目標が、開発者をより高いミリ波周波数帯域へと引き付けている。

ミリ波帯域は、現在の4G帯域（4GHz未満）の10～30倍の帯域幅を提供し、ネットワーク容量は利用可能な帯域幅に正比例する。

GaNは、ミリ波領域で求められる高周波と広帯域幅を実現するのに理想的な材料です。上の図に示すように、性能と小型化の要件を満たしています。

ミリ波帯を使用するアプリケーションでは、指向性の高いビームフォーミング技術が必要となります（ビームフォーミングは、無線信号を指向性の高いビームに集中させることで、出力を向上させ、ユーザー機器への干渉を最小限に抑えます）。

これは、RFサブシステムが比較的小型の開口部を駆動するために、多数のアクティブコンポーネントを必要とすることを意味します。GaNは、小型パッケージで強力な性能を発揮できることが最大の特徴の一つであるため、これらの用途に最適です。

2020年までに5Gが成熟するにつれ、私たちはその能力とメリットを実感するようになるでしょう。現在、試験、計画、議論、そしてデモンストレーションが5G規格の策定を推進しています。しかし明日には、1ミリ秒未満の低遅延と極めて高い通信容量が私たちの日常生活のあらゆる場面で実現するでしょう。結果がどうであれ、GaNが5Gアプリケーションにおける重要な技術となることは間違いありません。 

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